實(shí)驗(yàn)5 高分子材料的表面電阻與體積電阻的測定 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 加深理解表面電阻率ρs與體積電阻率ρv的物理意義，掌握超高電阻測試儀的使用 二、實(shí)驗(yàn)原理 大多數(shù)高分子材料的固有電絕緣性質(zhì)已長期被利用來約束和保護(hù)電流，使它沿著選定的途徑在導(dǎo)體中流動，或用來支持很高的電場，以免發(fā)生電擊穿。高分子材料的電阻率范圍超過20個(gè)數(shù)量級，耐壓高達(dá)100萬伏以上。加上其他優(yōu)良的化學(xué)、物理和加工性能，為滿足所需要的綜合性能指標(biāo)提供了廣泛的選擇余地。可以說，今天的電子電工技術(shù)離不開高分子材料。 高分子的電學(xué)性質(zhì)是指高分子在外加電壓或電場作用下的行為及其所表現(xiàn)出來的各種物理現(xiàn)象，包括在交變電場中的界電性質(zhì)，在弱電場中的導(dǎo)電性質(zhì)，在強(qiáng)電場中的擊穿現(xiàn)象以及發(fā)生在高分子表面的靜電現(xiàn)象。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在尖端科學(xué)領(lǐng)域里，對高分子材料的電學(xué)性能指標(biāo)，提出了越來越高的要求。高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)體、超導(dǎo)體和永磁體的探索，已取得了不同程度的進(jìn)展。高分子材料的電性能往往相當(dāng)靈敏地反映出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和分子運(yùn)動狀況，電性能測試是研究高分子的結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動的一種有力手段。 材料的導(dǎo)電性是用電阻率ρ（單位：歐·米）或電導(dǎo)率σ（單位：歐-1·米-1）來表示的。兩者互為倒數(shù)，并且都與試樣的尺寸無關(guān)，而只決定于材料的性質(zhì)。工程上習(xí)慣將材料根據(jù)導(dǎo)電性質(zhì)粗略地分為超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體四類。 表1 材料導(dǎo)電性質(zhì)及電阻率范圍 材料 電阻率ρ（歐·米） 電導(dǎo)率σ（歐-1·米-1） 超導(dǎo)體 10-8 108 導(dǎo)體 10-8—10-5 105--108 半導(dǎo)體 10-5--107 10-7--105 絕緣體 107--1018 10-18—10-7 在一般高分子中，特別是那些主要由雜質(zhì)解離提供載流子的高分子中，載流子的濃度很低，對其他性質(zhì)的影響可以忽略，但對高絕緣材料電導(dǎo)率的影響是不可忽視的。在高分子的導(dǎo)電性表征中，需要分別表示高分子表面與體內(nèi)的不同導(dǎo)電性，常常采用表面電阻率ρs與體積電阻ρv率來表示。在提到電阻率而又沒有特別指明的地方通常就是指體積電阻率。 將平板試樣放在兩電極之間，施于兩電極上的直流電壓和流過電極間試樣表面上的電流之比，為表面電阻；施于兩電極上的直流電壓和流過電極間試樣的體積內(nèi)的電流之比為體積電阻。超高電阻測試儀的主要原理如圖1和圖2。 試樣及電極箱 直流高壓測試電源 高阻抗直流放大器 顯示器 放電測試裝置 電源 圖1 儀器的方框圖 圖2 原理圖 圖中： U——測試電壓（伏） R0——輸入電阻（歐），其上電壓為U0（伏） Rx——被測試的絕緣電阻（歐） Rx=R0（U/U0） 計(jì)算表面電阻率ρs與體積電阻率ρv的公式如下: , ， cm2 式中：RS為表面電阻；RV為體積電阻；d1 為測量電極直徑(5cm) ；d2為保護(hù)電極內(nèi)徑()；g為保護(hù)電極與測量電極間隙（）； 為被測試樣厚度（cm）。 三、實(shí)驗(yàn)儀器與試樣 PC40B型數(shù)字絕緣電阻測試儀（高阻計(jì)） 10×10cm試樣：PMMA，PTFE，PVC 四、實(shí)驗(yàn)步驟 4．1 測試前的準(zhǔn)備 4．1．1 首先熟悉儀器功能鍵布局 圖3 儀器面板 1. 4．1．2 檢查各開關(guān)的位置 a． “電源開關(guān)”置于“關(guān)”的位置 b． “額定電壓選擇開關(guān)”置于需要的電壓（一般為500V）。 c． “方式選擇開關(guān)”置于“放電”位置。 d． “電阻量程選擇開關(guān)”置于：當(dāng)被測物阻值已知時(shí)，選擇相應(yīng)檔；未知時(shí)則選擇106檔。 e． “定時(shí)設(shè)定開關(guān)”置于“關(guān)”的位置。 4．1．3 測試接線圖 在測量大于1010歐電阻時(shí)，應(yīng)將被測物屏蔽，以避免外界干擾而影響正常測試。 圖4 測電阻 連接儀器和電極箱的對應(yīng)端鈕，按下圖將被測材料置于電極箱內(nèi)，利用儀器所帶的塑料片使測量電極和保護(hù)電極的間隙均勻。將箱內(nèi)紅色鱷魚夾夾住測量電極，黑色鱷魚夾夾住保護(hù)電極（電極之間千萬不能互相接觸，否則將損壞儀器），關(guān)好電極箱蓋。 測量體積電阻時(shí)，電極箱上的選擇開關(guān)置于RV，此時(shí)箱內(nèi)三電極的狀態(tài)如圖5。 測量表面電阻時(shí)，電極箱上的選擇開關(guān)置于RS，此時(shí)箱內(nèi)三電極的狀態(tài)如圖6。 圖5 測體積電阻Rv 圖6 測表面電阻Rs 圖中：(1)測量電極 （2）高壓電極 （3）保護(hù)電極 （4）被測試樣 4．1．4 接通電源，打開電源開關(guān)，電源指示燈亮，預(yù)熱30min。 4．2 測試步驟 4．2．1 測試試樣體積電阻 將電極箱上的選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到RV a． 將方式選擇開關(guān)置于充電檔，對被測物經(jīng)一定時(shí)間的充電后（視被測物容量大小而定，一般為15s，當(dāng)電容量或電阻值大時(shí)，可適當(dāng)延長充電時(shí)間）。 b． 將定時(shí)設(shè)定開關(guān)置于開的位置，撥動時(shí)間設(shè)定盤至1min。 c． 先將方式選擇開關(guān)置于測試位置后，定時(shí)設(shè)定開關(guān)置于開的位置。待到達(dá)設(shè)定時(shí)間，即可鎖定讀數(shù)。在進(jìn)行下一次測試前，需將定時(shí)設(shè)定開關(guān)置于關(guān)的位置。 注：若發(fā)現(xiàn)顯示為0.200以下，可將電阻量程選擇開關(guān)減低一檔，若降至電阻量程選擇開關(guān)為106檔，顯示值仍為0.200以下，即被測電阻小于200KΩ，處于儀器的最小量限外，應(yīng)立即將方式選擇開關(guān)置于放電位置，并停止測試，以免損壞儀器。如顯示為1.999，可將電阻量程選擇開關(guān)逐檔升高，直至讀數(shù)處于0.200--1.999。將儀器上的讀數(shù)（單位為歐）乘以電阻量程選擇開關(guān)所指示的倍率，即為被測物的絕緣電阻值。例如，讀數(shù)為1.203，電阻量程選擇開關(guān)所指系數(shù)1011×1011Ω。 重復(fù)三次，最后取RV的平均值。 4．2．2 測試試樣表面電阻 將電極箱上的選擇開關(guān)轉(zhuǎn)到RS，其他測試步驟同。重復(fù)三次，最后取的平均值。 μF以上者）需經(jīng)1 min左右的放電，方能拆下被測物。 4．2．4 儀器使用完畢后，應(yīng)先切斷電源，并將面板上各開關(guān)恢復(fù)到測試前的位置，再拆除所有接線。 五、注意事項(xiàng) 5．1 在測試電阻率較大的材料時(shí)，由于材料易極化，應(yīng)采用較高測試電壓。在進(jìn)行體積電阻和表面電阻測量時(shí)，應(yīng)先測體積電阻，反之，由于材料被極化和影響體積電阻。當(dāng)材料連續(xù)多次測量后容易產(chǎn)生極化，會使測量無法進(jìn)行下去，這時(shí)需停止對這種材料的測試，置于凈處8-10h后再測量或者放在無水酒精內(nèi)消洗，烘干，等冷卻后再進(jìn)行測量。 5．2 在對同一塊試樣而采用不同的測試電壓時(shí)，一般情況下所選擇的測試電壓越高所測得的電阻值偏低。 5．3 測試時(shí)，人體不能接觸儀器的高壓輸出端及其連接物，防止高壓觸電危險(xiǎn)，同時(shí)也不能碰地，否則引起高壓短路。 5．4 換檢測樣品時(shí)需先放電、斷開高壓輸出電源。 六、結(jié)果處理 計(jì)算各試樣的ρV，ρS。，并比較討論之。 七、參考文獻(xiàn) 1． 塑料試驗(yàn)方法（國家標(biāo)準(zhǔn)），GB1410-78，1979年。 2． 國家標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO），塑料標(biāo)準(zhǔn)1325-73。 3． 何曼君等，高分子物理（修訂版），復(fù)旦大學(xué)出版社，1990。